Beschreibung

Verfahren zum Betrieb einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Klimaanlage für ein Kraftfahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei hohen Außentemperaturen lassen sich angenehme Temperaturen im Fahrgastraum eines Kraftfahrzeuges nur durch eine Kühlung der Luft erzielen. Dazu werden üblicherweise Kompressionskälteanlagen mit dem Kältemittel R 134a oder R744 eingesetzt.

Das Kältemittel durchläuft dazu einen geschlossenen Kältemittelkreislauf. Ein Kompressor verdichtet das dampfförmige Kältemittel, dieses erhitzt sich dabei und wird anschließend in einen Kondensator weitergeleitet. Das Kältemittel wird dort abgekühlt und verflüssigt, wobei die dabei entstehende Wärme an die Umgebung abgegeben wird. Ein Expansionsventil spritzt das abgekühlte und unter Hochdruck stehende Kältemittel in einen Verdampfer ein. Bei der Verdampfung des Kältemittels wird der durch den Verdampfer geführten Luft Wärme entzogen, wobei diese abkühlt. Das aus dem Verdampfer strömende gasförmige Kältemittel wird dann über eine Saugleitung wieder dem Kompressor zugeführt. Verdampfer und Kondensator sind dabei in der Regel als Flachrohrwärmetauscher ausgeführt. Kältemittel sind bei Raumtemperatur und Druck Gase und werden erst bei tiefen Temperaturen oder bei Raumtemperatur unter Druckerhöhung zu Flüssigkeiten.

In Klimaanlagen von Kraftfahrzeugen wird die Luft zur Kühlung des Fahrgastraumes zum Verdampfer geleitet, dort gekühlt und anschließend in den Fahrgastraum geleitet. Der Luftstrom wird dabei beispielsweise durch ein elektrisch angetriebenes Gebläse erzeugt, das vor dem Verdampfer angeordnet ist.

Im Normalbetrieb wird der Klimaanlage die Außenluft zugeführt, damit dem Fahrgastraum genügend Frischluft zugeführt wird. Dabei hat die Klimaanlage immer den gesamten Temperaturunterschied zwischen der Außentemperatur und der gewünschten Ausströmtemperatur zur Kühlung des Fahrgastraumes zu leisten. Um beim Starten der Klimaanlage die erste Abkühlphase zu beschleunigen ist es bekannt, die Klimaanlage mit

Umluft zu betreiben, da dabei nur die Luft innerhalb des Fahrgastraumes umgewälzt wird und schneller abgekühlt werden kann.

Eine Einstellung der Kälteleistung der Klimaanlage erfolgt in der Regel durch eine Einstellung der Menge und/oder der Temperatur des dem Verdampfer zugeführten Kältemittels. Unter ungünstigen Betriebsbedingungen, beispielsweise bei sehr hohen Außentemperaturen in Verbindung mit „stop-and-go" Verkehr, beim so genannten „Heißstart" in Verbindung mit sehr hohen Stillstandsdrücken oder bei einem sprungförmigen Anstieg der Motordrehzahl und damit der Kompressordrehzahl, kann es jedoch zu unzulässig hohen Drücken im Hochdruckbereich des Kältemittelkreislaufs kommen.

Um Schäden vom System abzuwenden, ist es bekannt, ein Druckbegrenzungsventil im Hochdruckbereich des Kältemittelkreislauf vorzusehen, was jedoch zu einem erhöhten Bauraumbedarf und Gewicht sowie zu erhöhten Kosten der Klimaanlage führt. Eine weitere Möglichkeit zum Schutz der Klimaanlage ist die Abschaltung des Systems bei überschreiten eines Druckgrenzwertes, beispielsweise durch eine Berstscheibe im Kältemittelkreislauf. Diese darf jedoch nur im absoluten Ausnahmefall ansprechen, da der Vorgang irreversibel ist. Nach dem Bersten der Scheibe und dem Druckabbau in die Umgebung muss die gesamte Anlage still gelegt werden und eine neue Berstscheibe eingebaut werden.

In der DE 10 2004 005 175 A1 wird zur Vermeidung unzulässig hoher Druckspitzen ein Verfahren und eine Vorrichtung offenbart, bei welchen in einem Basisregelkreis die Verdampfertemperatur geregelt wird und aus der Stellgröße des Verdampfertemperatur-Reglers ein Hochdruck-Sollwert für einen Hochdruck-Regler ermittelt wird. Die Regelung der Klimaanlage wird dadurch sehr aufwändig.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, mit einfachen Mitteln unzulässig hohe Druckspitzen in einer Klimaanlage sicher zu vermeiden.

Die Lösung der Aufgabe gelingt mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruch 1. Weitere vorteilhafte Ausführungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges, umfasst ein Verfahren, bei welchem ein Kältemittel einen Kreislauf mit einem Kompressor, einem Kondensator, einem Expansionsventil und einem oder mehreren Verdampfern durchläuft. Die Temperatur und/oder die Menge des dem Verdampfer zugeführten Kältemittels

wird dabei zur Steuerung der Leistung der Klimaanlage variabel eingestellt. Dem Verdampfer wird Umluft und/oder Außenluft zur Abkühlung zugeführt, welche anschließend in einen Fahrgastraum des Kraftfahrzeuges geleitet wird. Dabei wird in Abhängigkeit vom Kältemitteldruck p _H stromab des Kondensators ein bestimmtes Verhältnis des Anteils der dem Verdampfer zugeführten Außenluft zum Anteil der dem Verdampfer zugeführten Umluft eingestellt, so dass ein Erreichen eines kritischen Druckwertes p _Hk m des Kältemitteldrucks p _H stromab des Kondensators, bei welchem eine Abschaltung der Klimaanlage eingeleitet wird, mit einfachen Mitteln weitestgehend verhindert werden kann.

Das gelingt insbesondere dann, wenn bei Erreichen eines maximal zulässigen Druckwertes P _Hm ax des Kältemitteldrucks p _H stromab des Kondensators, welcher unterhalb des kritischen Druckwertes p _Hkπt liegt, ein maximaler Anteil der dem Verdampfer zugeführten Umluft eingestellt wird. Stößt das System, beispielsweise bei Normalbetrieb mit Außenluft, an seine Grenzen in Bezug auf eine Abschaltung über Hochdruck, wird vor Erreichen des kritischen Druckwertes P _Hkr it das System auf Betrieb mit Umluft oder überwiegend mit Umluft umgestellt, so dass die Leistungsanforderung an die Klimaanlage reduziert wird und der Druck wieder absinkt. Wird ein minimal zulässigen Druckwertes p _Hm j _n , der unterhalb des maximal zulässigen Druckwertes p _H maχ des Kältemitteldrucks p _H stromab des Kondensators liegt, wieder unterschritten, wird ein minimaler Anteil der dem Verdampfer zugeführten Umluft eingestellt, insbesondere wieder auf Normalbetrieb mit Außenluft umgestellt.

Die Erfindung wird im Weiteren an Hand eines Ausführungsbeispieles weiter erläutert.

Beim beispielhaften Verfahren zum Betrieb einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges durchläuft das Kältemittel einen an sich bekannten Kreislauf mit einem Kompressor, einem Kondensator, einem Expansionsventil und einem Verdampfer.

Im Kompressor wird das zuvor im Verdampfer verdampfte Kältemittel angesaugt und verdichtet, wobei das Kältemittel auf ein höheres Druck- und Temperaturniveau gebracht wird. Das unter Hochdruck stehende, gasförmige Kältemittel wird dann zum Kondensator weitergeleitet. Im Kondensator wird das gasförmige und heiße Kältemittel auf eine Verflüssigungstemperatur gekühlt und verflüssigt. Da dem Kältemittel dabei Wärme entzogen wird, muss der Kondensator diese Wärme an ein ihn umgebendes Kühlmedium abgeben. Dazu wird vorzugsweise ein Lüfter eingesetzt, der in Abhängigkeit vom Kältemitteldruck p _H stromab des Kondensators ein- und ausgeschaltet werden kann.

Vorzugsweise durchläuft das Kältemittel anschließend einen Filtertrockner, in welchem das Kältemittel gereinigt und getrocknet wird. Dabei wird das Kältemittel von Schwebestoffen, beispielsweise Abriebteilen des Kompressors gereinigt. Weiterhin kann dadurch die Anlage vor Korrosion geschützt werden. Der Filtertrockner hat außerdem eine Speicherfunktion, da das Kältemittel für den Weitertransport zum Expansionsventil vorgelagert wird.

Das Expansionsventil spritzt das Kältemittel in den Verdampfer ein, wobei sich das Kältemittel ausdehnt und der Druck des Kältemittels stark verringert wird. Vorzugsweise wird ein thermostatisches Expansionsventil verwendet, mit welchem dem Verdampfer immer diejenige Kältemittelmenge zugeführt werden kann, die unter den gegebenen Betriebsbedingungen verdampft, so dass die wärmeübertragende Verdampferoberfläche voll ausgenutzt werden kann und der Kompressor kein flüssiges Kältemittel ansaugen kann.

Als Kältemittel wird vorzugsweise H-FKW 134a verwendet, so dass eine umweltfreundliche, FCKW-freie Kälteerzeugung möglich ist.

Dem Verdampfer wird in Abhängigkeit vom Kältemitteldruck p _H stromab des Kondensators Umluft und/oder Außenluft zugeführt. Das Kältemittel entzieht über die Oberfläche des Verdampfers der Luft Wärmeenergie und kühlt diese dabei ab. Die abgekühlte Luft wird, vorzugsweise über ein Gebläse, anschließend in einen Fahrgastraum des Kraftfahrzeuges geleitet. Die Temperatur und/oder die Menge des dem Verdampfer zugeführten Kältemittels wird zur Steuerung der Leistung der Klimaanlage variabel eingestellt.

In einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung wird die Temperatur und/oder die Menge des dem Verdampfer zugeführten Kältemittels durch eine Einstellung des Hubraums des Kompressors eingestellt. Dazu werden beispielsweise Taumelscheibenkompressoren mit variablem Hubraum verwendet, die kopplungslos vom Motor angetrieben werden können.

Ausführungen, in denen der Antrieb des Kompressors über eine Magnetkupplung mit dem Motor verbunden ist, um den Kompressor nach Bedarf schalten zu können sind jedoch ebenfalls denkbar.

Die Einstellung der Temperatur und/oder die Menge des dem Verdampfer zugeführten Kältemittels zur Steuerung der Leistung der Klimaanlage erfolgt vorzugsweise in Abhängigkeit von der Soll-Temperatur des Fahrgastraumes und der Ist-Temperatur des Fahrgastraumes. Zusätzlich kann die Temperatur und/oder die Menge des dem Verdampfer zugeführten

Kältemittels auch in Abhängigkeit von der Außentemperatur und/oder Luftfeuchtigkeit im Fahrgastraum und/oder der Intensität und/oder Richtung der Sonneneinstrahlung und/oder Geschwindigkeit und/oder länderspezifisch eingestellt werden.

Das System ist so konzipiert, dass bei Erreichen eines kritischen Druckwertes p _Hk m des Kältemitteldrucks p _H stromab des Kondensators eine Abschaltung der Klimaanlage eingeleitet wird. Bei Verwendung des Kältemittels R134a beträgt der kritische Druckwert p _Hk πt ca. 32 bar.

Bei einer normalen Leistungsanforderung beträgt der Kältemitteldruck PH stromab des Kondensators ca. 6 bis 20 bar. Die Klimaanlage wird dabei vorzugsweise mit Außenluft betrieben. Kommt es beim Betrieb der Klimaanlage zu einer erhöhten Leistungsanforderung, beispielsweise bei einem stop-and-go Verkehr und sehr hohen Außentemperaturen, steigt der Kältemitteldruck p _H stark an. Um eine frühzeitige Abschaltung der Klimaanlage zu vermeiden, wird bei Erreichen eines maximal zulässigen Druckwertes p _Hma x des Kältemitteldrucks p _H stromab des Kondensators ein maximaler Anteil der dem Verdampfer zugeführten Umluft eingestellt, wobei p _Hm ax < P _Hk m ist. Dabei ist der maximal zulässigen Druckwert p _Hm aχ mit einem genügend großen Abstand zu wählen, beispielsweise ca. 29 bar bei Verwendung des Kältemittels R134a.

Dabei kann vorzugsweise ein Verhältnis des Anteils der dem Verdampfer zugeführten Außenluft zum Anteil der dem Verdampfer zugeführten Umluft von 0:1 eingestellt werden. Weiterhin besteht auch die Möglichkeit, dass noch ein geringer Anteil von Außenluft eingestellt wird, um auch weiterhin eine bestimmte Menge an Frischluft dem Fahrgastraum zuzuführen. In diesem Fall ist der maximal zulässigen Druckwert p _Hm ax entsprechend niedriger festzulegen.

Sinken die Leistungsanforderungen an die Klimaanlage, sinkt der Kältemitteldruck p _H wieder ab, so dass bei Unterschreiten eines bestimmten, minimal zulässigen Druckwertes p _Hm in des Kältemitteldrucks p _H stromab des Kondensators wieder ein minimaler Anteil der dem Verdampfer zugeführten Umluft eingestellt werden kann, vorzugsweise wieder ganz auf Außenluftbetrieb umgestellt wird. Dabei ist P _Hm i _n < P _H max und beträgt bei Verwendung des Kältemittels R 134a beispielsweise 25 bar.

Das Verhältnis des Anteils der dem Verdampfer zugeführten Außenluft zum Anteil der dem Verdampfer zugeführten Umluft wird vorzugsweise mit einer Luftzufuhrklappe eingestellt, deren Position in Abhängigkeit vom Kältemitteldruck p _H stromab des Kondensators verändert wird. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird bei Erreichen des maximal zulässigen

Druckwert p _Hm aχ über eine Steuerung eine erste Position eingestellt, bei der der maximaler Anteil an Umluft dem Verdampfer zugeführt wird und bei Unterschreiten des minimal zulässigen Druckwertes p _Hm i _n über die Steuerung eine zweite Position eingestellt, bei der der maximaler Anteil an Außenluft dem Verdampfer zugeführt wird.

Weitere Ausführungen, in denen die Luftzufuhrklappe auch noch zwischen der ersten und zweiten Position stufenweise positionierbar ist, sind ebenfalls möglich. Den weiteren Positionen sind dann entsprechende Werte des Kältemitteldrucks p _H mit p _Hm in < P _H < P _Hm ax zuzuordnen.